（凝聚态物理专业论文）sigesi异质结器件用材料的mbe生长.pdf

s i g e s i 异质结器件用材料的m b e 生长 学生姓名：监直堂指导教师：韭塑教授 摘要 s i g e s i 异质结器件以其与现有半导体集成电路工艺良好的兼容性，优异的 电学和光电子学性能，在研制高速器件和新型光电子器件领域起到了越来越重要 的作用。而分子束外延是一种常用的重要的生长s i g e s i 异质结构的技术。它使 我们能够得到界面清晰，组分准确可调，杂质分布和浓度易于控制的良好异质结。 本论文讨论了以下几部分的内容： 1 分子束外延生k 需要高度清洁的表面，它不能为杂质玷污( 尤其是不能 为c 玷污) ，办不能为氧化物所覆盖。因此在进行生长前需要进行化学清洗。 。 般使用的化学清洗方法是s h i r a k i 的清洗方法s h r c a 法。我们对这些方法进行了改 进，并用于器件制备。使用改进的清洗方法我们成功制作了n s j 6 e ps ip n 结。 测量显示，此d n 结的击穿电压商( 超过1 j v ) ，漏电流小( 【l aa ) 。 2 近年来的实验与理论都表叫，承受有张应变的s i 材料，其载流f 订很l 啊的 迁移率，在研制高速s i 器件l y 重要的应用。生k 应变s i 材料的方法之，足a ： s i 衬底j 一) u e 氏层高应变驰豫低位错密度的s i g e 合金薄膜，然后在它h 自h i 氏 s i 。由于s i g e 合金的晶格较s i 犬，因此s i 薄膜中就承受有较大的张应变。祚：这 技术中，关键是生长出结品良好日高应变驰豫低位错密度的s i g e 彳 7 会薄膜，川时 g e n i i 分要尽可能的高以期与s “ 仃较高r l 格常数失配而提高s i l 1 的张应变。我们 采用g e 组分逐级增大的方法，结合局域外延技术，在s i ( 0 0 1 ) 衬底 ：s i 州。掩 膜定义的3 x 3 微米窗口【 i ，成功地牛长了高应变驰豫低失配化错脊度的 s i ”4 5 g e 【j5 5 材料。r a m a n 敞射测箍农叫，蚶越变驰豫高达9 0 以i ：。l n j 使川s c h i m m e l 腐蚀液进行化学腐蚀，未见有失配位错线和线位错腐蚀坑。我们认为，这利 s i g e 薄膜可以成为生氏应变s i 薄膜的良好的缓冲层材料。这结粜，作崭尚未她仃炎 似的报道。 3 g e 精子点拥有与体g e 材料不川的物珊陛质，有着，1 闹的应川前景。川j i 制作器件的g e 量子点要求密度商，均匀7 陀好。我们的实验结粜5 示，乍k 泓瞍 为4 7 0 0 c 时制箭的小尺寸量n 基满足高密度良好均匀性的要求。对该温度卜乍k 的四层量子点样船在室温测量f t l r ，红! 2 2 5um 处观察到量子点的红外l 妓收。 此外，我们还研究了在s i 3 n 4 薄膜卜刻蚀的窗i1 内q ：长嚣f 点的情况。丈验r 1 ， 发现，存这利，图形衬底h i t ik 的艟r _ 州埘r 普通衬底i d 条r | ：，i ik f j j ， 点，t 寸变人t 密度提高了个数 | = 级，m 均匀性变化不火。小文刘这种现缘进 行了研究和讨论。 4s i g e s i 异质结内光l b j ：发射红外探测器( 简称s i g e s ih i p 探测器) 址 种匝要的硅旗红外探测器。通过1 1 l i p s i hj 卜，i 二长露掺杂的应变d + 一s i g e z 球拍e 片 质结构米实现对红外线的探测。本实验鼍洲m 0 了2 x 2 2s i g e s i l i p 探测擀| ；1 ：列， 我们测试了它的电学和光电r 学特性：。眩探测器阵列工作稿i 3 5um 波段，l0 0 0 k 黑体的i u j k l 伽衄率r v = i9 1 0 5v w 。尤l 川 生的址该阵列的j 衄：红均匀性达剑j f 分之的水、 ，。 a b s t r a c t s i g e s lh e t e r o s t r u c t u r e sh a v er e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nt o rt h e i rm i c r o e l e c t r o n i c sa n do p t o e l e c t r o n i c sa p p l i c a t i o n sd u et ot h e i rc o m p a t i b i l i t yw i t ht h ee x i s t i n gs i t e c h n o l o g y b yu s i n gm o l e c u l a rb e a me p i t a x y ，h i g h q u a l i t ys i g e s ih e t e r o s t r u c t u r e s c a nb eo b t a i n e dn o w a d a y sw i t hp r e c i s e l yc o n t r o l l e dt h i c k n e s s ，v i r t u a l l ya n yd e s i r e d d o p i n ga n dc o m p o s i t i o f ip r o f i l e st ob u i l dh i g h s p e e dd e v i c e sa n do p t o e l e c t r o n i c s d e v i c e s t h i st h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n gf o u rp a r t s ： 1 f o rs im b eg r o w t ht e c h n o l o g i e s s u r f a c et r e a t m e n to f t h es u b s t r a t ei so n eo f t h e k e y s t e p s i l i c o nw a f e r sc a nb ec l e a n e db ye i t h e rs h i r a k im e t h o do rr c am e t h o d f o r d e v i c ef a b r i c a t i o n w ed e v e l o p e da ni m p r o v e ds t i r f a c et r e a m e n tm e t h o df o rt h es i s u b s t r a t e u s i n gt h en e wm e t h o d w ew e r es u c c e s s 如】j nf a b r i c a t i n gah e r e r o j u n c t i o n o f n - s i g e p s i t h eb r e a k d o w nv o l t a g eo f t h eh e t e r o j u n c t i o nw a sa b o v e1 5 v a n dt h e l e a k a g ec u r r e n tw a s1 e s st h a n1ua 2 d u r i n gt h ep a s ts e v e r a ly e a r s t h ec a r r i e rm o b i l i t ye n h a n c e m e n ti ns t r a i n e d s il a y e r s w a sp r o v e db ye x p e r i m e n t sa n dt h e o r y i fs ii sg r o w na tar e l a x e ds i g eb u f f e r1 a y e r t h ec a r r i e rm o b i l i t ye n h a n c e m e n ti ns iw i l lb ee n h a n c e da n di tw i i li n c r e a s er o u g h l y l i n e a r l yw i t ht h es t r a i n f o rt h i sp u r p o s e ，t h ek e yi st oo b t a i nh i g h l yr e l a x a t i o ns i 、g e i x f i l mw i t hj o wd i s l o c a t i o nd e n s i t y i no u re x p e r i m e n t sb yg r o w i n gab u f f e rl a y e ro f c o m p o s i t j o n a l 】ys t e p g r a d e ds j g ef i l mi nt h e3x 3umw i n d o w so ns t ( 0 0 】) s u b s t r a l e c o v e r e db ys i 3 n af i l ma si t sm a s k ，h i g h l yr e l a x e ds t 04 5 g e 05 5f i h n sw i t hv e r yl o wm i s f i td i s l o c a t i o nd e n s i t yw a so b t a i n e d r a m a ns c a t t e r i n gs p e c t r am e a s u r e m e n ts h o w e d t h a ti t ss t r a i nr e l a x a t i o nw a sm o r et h a n9 0 a n da l m o s t1 1 0m i s f i td i s l o c a t i o nl l n e s a s w e l la st h et h r e a dd i s l o c a t i o n sc o u l db eo b s e r v e da st h es a m p l ew a se t c h e db ya m o d i f y e ds c h i m m e le t c h a n t t h es o l u t i o nc o n s i s t so f5 5v o l c r 0 3 f o 4 m ) a n d4 5 v o i h f ( 4 9 1a n dc o o l e dd o w nt oat e m p e r a t u r eo f0 ”cw et h i n kt h a ts u c hk i n do l s a m p l ec a np o s s i b l yb eu s e da sag o o dv i r t u a is u b s t r a t et b rg r o w i n gt h es t r a i n e ds i 行l m f oo n rk n o w l e d g e1 1 0r e s u l t sa si b i so n ew a sr e p o r t e db e f o r e 3 t h er e s e a r c ho ns e m i c o n d u c t o rq u a n t u md o t sf q d s ) w a sv e r ya t t r a c t i v ei n1 a s t d e c a d ei t i sm o t i v a t e db yt h eg r e a ti n t e r e s t si nb o t hf u n d a m e n t a lp h y s i c sa n d a p p l i c a t i o n si 1 1m i c r o e l e c t r o n i c sa n dn p t o e l e c t r o n i c s 1 - l o w e v e r t h ec o n t r 0 1o v e rt h e s i z e ，d e n s i t y ，s i z eu n i l b r m i t ya n dt h es p a t i a lo r d e r i n go f q d si sag r e a tc h a l l e n g et o b u i l dq u a n t u md o t sd e v i c e s o u re x p e r i m e n ts h o w e dt h a ti f t h eg r o w t ht e m p e r a t u r e w a sa sl o wa s4 7 0 0 c ，t h eg eo d so f l s m a l ls i z e ，h i g hd e n s i t ya n db e t t e rs i z eu n i f 、o r m i t y c o u l db eo b t a i n e d f u r t h e re x p e r i m e n ts h o w e dt h a tl b ras a m p l ew i t hf o t l r1 a y e r so f s u c hg eq d sa n dc a p e db yas il a y e r ，i n f r a r e da b s o r p t i o np e a ki nt h ew a v e l e n g t h r a n g eo f 2 2 2 5un lc o u l db eo b s e r v e d 4 m u c ha t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h ep 。一s i 、g e l 、p s ih e t e r o j u n c t k mi n t e r n a l p h o t o e m i s s i o n ( h i p ) i n f r a r e dd e t e c t o ri nr e c e n ty e a r sb e c a u s eo l 、i t sa d v a n t a g e ss u c h a sa ne a s ym o n o l i t h i ci n t e g r a t i o nw i t hc c do rc m o sr e a d o u tc i r c u i t r y ，ah i g h e r q u a n t u me f f i c i e n c yt h a nt h a to fs i l i c i d es c h o t t k y b a r r i e rd e t e c t o r s a d j u s t a b l ec u t o f r w a v e l e n g t ha n dh i g hu n i f o r m i t y i no u re x p e r i m e n ta na r r a y2 x 2 2 o fs i g e s ih i p d e t e c t o rw o r k i n ga tr a n g eo f3 - 5 9 mw a sm e a s u r e d t h er e s p o n s i v i t yo ft h ed e t e c t o r r e a c h e di9 1 0 5v wu n d e rt h ei l l u m i n a t i o no f1 0 0 0 kb l a c k b o d y a n di ti sr e m a r k a b l e t h a tt h er e s p o n s i v i t yu n i f o r m i t yd e v i a t i o no f t h ed e t e c t o r so f t h ea r r a yw a sa sl o wa s l o 第一章引言 半个多世纪以来，随着、仁导体材料与器件技术的发展，s i 以其良好的电学，热 学和机械性能，迅速占掘了半导体： 业的统治地位。直至今天，乃至于将来若二f 年，s i 仍是半导体中凝蓖要的材料。但是由于s i 是间接带隙半导体，且s j 中 载流二f 的迁移率较g a a s ，l n a s 等化合物半导体低，因此限制了它在光电器件以 及高速器件中的应用。 自八十年代初以来，分子束外延技术的发展，极大的推动了s i g e 材料的研 究，s i g e s i 异质结，量_ ；f 二阱，超品格材料等引起了人们的巨大关注，给s i 基器 件丌辟了崭新的应用途径。本文围绕应用j 二高速器件与光电子器件的s i g e 材料 的m b e 生长进行了多项研究。 k e r nr i m l 3 - l 2 , 3 1 等人的研究表明，处于张应变条件下的s i 薄膜，载流予迁 移率得到很大的提高，并且能够随着应变的增加而近似线性的增加。这一发现已 经在s i 器件中得到应用。而将s i 生长在高驰豫低位错的s i g e 合会缓冲层上足 获得应变s i 的简单而实用的方法。因此如何在s i 衬底上获得高应变驰豫低位错 密度且g e 组分高的s i g e 合金成为影响应变s i 中载流子迁移率的关键技术。纠 时常用的方法，是在s i ：外延s i g e 合金时采用g e 组分线性增加的方法抑制位 错的产生。但是由此得到的s i g e 合会薄膜，其失配位错和线位错密度仍然有些 偏高。我们的实验是使用局域外延生长方法将s i 、g e l 一。合会生长在s i ( 0 0 1 ) 衬 底上3 m x 3ui y l 的窗【1 中，窗r 1 是f f js i 3 n 4 做掩膜材料并随使f j 光刻和= 十二法刎 蚀形成的。使用g e 组分梯次增大的s i 、g e l 。薄膜做缓冲层，成功地， 三长f “了r ： 应变驰豫的s i o4 s g e o5 5 材料。r a m a n 散射测量表明，其应变驰豫高达9 0 以h 而利用化学腐蚀疗法，未魁有失恺位错线和线位错腐蚀坑，这种s i g e 薄膜，j 以 成为生k 应变s i 游膜的良好的缓冲层材料。 g e 原子淀积在s i 衬底表面进行外延生k ，遵循s t r a n s k i k r a s t a n o w ( s k y 卜k 模式，即仞始淀积的几个原子层的g e 原f ，成层状铺在衬底表嘣，形成所喇的 浸润层。浸润层增加到定厚度，能量最小化的耍求会迫使随后淀枞的g e 原j 成三维岛状7 i - 长，完成i l l 层装生长向岛状牛长= 的转变。最子点是山有限个原j i 州 成的结构，陶此其有和体g e 材料f i 同的一陆质。近几年，将量f 点器件实用化的 努力一直没有停顿。要应j f 器什，量子点要满足高密度商均匀性的要求。低濉 生长量子点能够获得高密度但是均匀性比较羞，我们在4 7 0 0 c 进i = | 二了鲢了点的低 温生长实验，获得了均匀性较好的量予点，密度达到：；2 x 1 0 “c m 。为了研究这 科，量子点的光学性质，我们存4 7 0 0 c ! 卜 ：= 了四层量子点样品，g e 层之删j ； ；5 以 4 5 0 ”c 生长的3 0 n ms i 。样品彳j ：4 5 0 0 c | j 勺氮。e 氛巾保温1 0 分钟进行退火历，+ i 温f 测量f t i r ，花2 2 25 微米处产7 i i 了明娃的红外吸收。a i y a k i m o v1 4 。1 1 ) 1 i 究 了低温量子点的) 匕电流谱，样品对2 8 微米波长的红外光产，卜光电u 越。我们扶 得的结果和a i y a k i m o v 的实验结果很接近。我们认为这个i 暾收是 l 样射 的 矗 f 点产生的。 s i g e s i 异质结内光电f 发射红外探测器是利用p + 一s 弧g e 、，p s i 异质结势伞 求实现对红外辐射的探测。这种探测器“乍波段覆盖了2 5 微米和8 1 2 微米两 个霞要的大气窗f i ，并j 以通过改变合会组分和合盒层掺杂浓度，渊牾它的敞 j i ：波长。j ：个”t 纪几州初，t i 。l i n ”o i 等前先研制rs i g e s i 辟质 ，j 毗j 外探 测器。次年b yt s a u r l5 - 3 1 等人就研制出带有c c d 读出1 u 路的4 0 0 x 4 0 0 的红外探 测器阵列。从那i 卜r 起，s i g e s i 片质结内光l 乜r 发射红外探测器晰陀能，如探洲 率，响应波长，量子效率等获得了长足的发展。我们使用s i 平面工艺成功研制 了2 x 2 2 探测器阵列，工作在3 5um 波段。将探测器用液氮冷却到工作温度 ( 7 7 k ) ，对1 0 0 0 k 黑体的响应率达到了l9 1 0 5v w 。而当探测器温度升高到 接近1 3 0 k 时，探测器依然有可以测量的红外响应。最令人印象深刻的是本探测 器阵列的响应率均匀性，其响应率的均方根误差达到了l 的水平。 本论文的主要：j ：作 改进了分子柬外延用s i - j 底片的清洗方法，使用新方法制作了n s i l o s i g e 的 p 1 1 结，获得了小漏电高击穿电压的p n 结。 研究局域外延在生氏高应变驰豫低位错密度s i g e 合金晶体中的应用，使用梯 度改变g e 浓度的方法，获得了良好的高应变驰豫低位错密度s 沁5 g e o5 5 合金薄膜。 在s i ( 0 0 1 ) 衬底上低温生长锗量子点，得到了高密度，较好均匀性的量子 点，对比研究了局域外延对量子点e 长的影响以及室温下量子点的红外吸收特 性。 研究测试了2 x 2 2s i g e s i 红外线探测器阵列的电学和光电子学性能参数， 测试了探测器的响应率均匀性，获得了响应率均方根误差仅为1 的高均匀性探 测器线列。 本论文主要由以f 几个部分组成： 第一蕈 笫二尊 笫i 案 第p q 节 第f l 涯 0 旧 硅锗分子束外延系统简介及s i 衬底处雕技术 高应变驰豫低位错密度s i g e 合会的局域生长 s “0 0 1 ) 衬底l g e 量子t “内低温，i ik 及红外吸收特性研究 高均匀性s i h g e 、s i 异质结内光i 包子发射红外线探测器阼列研究 第一：章硅锗分子束外延系统简介及s i 衬底处理技术 2 1 硅分子束外延系统简介 本论文中所有样品的分子束外延生长均是在1 台型号为r i b e re v a 一3 2 的超 高真空s i 分子束外延系统中进行的，其结构如图2 1 所示。系统由进样室和生长 室组成，两室之问通过超高真空插板阀隔了1 ：。进样室的用途是在不破坏生长室真 空度的情况f 进样以及对样品进行预处理。进样室内样品架上有两个样品座，每 次可以进两块样品，其中一个样品座上装有加热装置，可对样品进行加热预处理。 预处理完毕的样品通过在进样室和生长室之间的磁力传样杆送入生长室。进样室 和生长室的真空度平时山离子泵分别维持在1 0 。和l o 。o 托水平上，此外这两室还 分别配备了两台钛升华泵用来迅速提高真空室的真空度。 分子束外延生长过程是在生长室内完成的。在生长室内的中心位置安装有一 个配备加热系统的样品架，样品架町沿x ，y ，z h 向平移，也可沿装样品架端口 做1 8 0 0 旋转和自转，从而实现f i 维运动。另外! k 长室内还装有外延生长所需要的 各种设备和仪器，包括电子束蒸发器，掺杂束源炉，石英晶振测厚仪，s e n t i n e li i i 真空淀积控制器，及反射式高能电f 衍射仪( r h e e d ) 等。该系统有两个束源炉， 分别是s i 和g e ，均采用电子束加热蒸发器。对应两个源配有两台电子枪，电f 枪的灯丝发射出的电子束经1 0k v 的高f j i 加速，通过蒸发器两侧的永久磁铁产生 的偏转磁场偏转2 7 0 0 后轰击到源材料j 2 ，使其熔融蒸发。除此之外，另有一磁场 线圈产生的小幅交变磁场叠加在电_ ：j = 二束上，配合横向设置的电极使电子束在源 材料上作周期扫描，使源材料【 1 心区域均匀受热。在源与样品架之问有高纯钼制 的挡板，挡扳由r 乜磁气动阀门控制，该阀们受s e n t i m a ll l i 自动控制，能迅速丌 启和关闭，n j 。以满足，l 长界嘲陡0 l l j 外延层的要求。 m o l e c u l eb e a me p i t a x yg r o w t hs y s t e m ( r i b e re v a 一3 2 ) 引21r i b e re v a 一3 2s i 分j ，求外近系统 除了s i 源和g e 源外，系统还配备了若干掺杂源，如b 2 0 3 ，s b ，p 等。这些 掺杂源是通过坩埚加热，伴随s i 和g e 源共同蒸发，通过分离的快门控制掺杂分 子束流的输出与切断，达到在外延层中掺杂的目的。掺杂的浓度取决于外延层的 ，i 长速率和掺杂源的温度。 在m b e 外延生长的过程中，我们使用反射式高能电子衍射( r h e e d ) 作为 原位观察单晶表面原子结构的实验手段。当束能量为1 0k e v 的电子束掠入射 ( 5 ”) 到样品表面上时，晶体表面有序排列的原子，对入射光起到衍射光栅的作 用，被散射的电子在满足l a u e 方程条件的方向上出现衍射强度的极大并在显示 屏显示出来。出于电子束入射的角度很小，电子束透入晶体内部的深度很小，所 以r h e e d 图样实际上只反映了样品在近表面数个原子层范围内的原子排列信 息。对于理想的s i ( 0 0 1 ) 面而氤r h e e d 图样通常为线状( 2 1 ) 再构。根据衍射 条纹的亮度，明锐度和衍射斑的形状，可以判断s i 衬底表面是否有序与平整。如 果样品表面不完全平整，如存在小岛等，高能电子束也可以透射而产生三维衍射 效应，使r h e e d 线条断裂为分立的点。而当样品表面成岛情况严重时，衍射图样 中的衍射斑点会在小面的法线方向略有伸长，使衍射图样呈“v ”状。因此在生长 过程中可以通过r h e e d 图样来判断样品表面的平整度以及成岛状况，这一一点在 量子点的长实验中起着重要的作用。 2 2 用于分手束外延生长的f l , , j t i 一 表面的获得 为了得到优质的外延薄膜，必须要有一个清洁，有序，平整且消除了碳沾污 # j s i 衬底表面，而h 表而也不能被氧化物覆盖。般我们使用s h i r a k i 2 1 清洗方法 来处理s i 衬底。用化学方法对s i 衬底进行多次氧化和腐蚀，清除在s i 表面的 r 机玷污以及各种轻爱金属离子，尤其足去除s i 衬底表面与碳原f - + l 关的玷污”j 。 最后在s i 表面形成层极溥h 易j 二挥发的氧化层这层氧化层的作川是保护讨 底表而不受碳和i 他杂质离f 的玑污。 s h i r a k i 法具体的清洗步骤如卜| ： 1 在h 2 8 0 4 ：h 2 0 2 = 2 ：1 的溶液, t i 煮沸3 分钟 h f ( 1 0 ) 漂洗1 0 秒 2 在纯h n 0 3 中煮沸3 5 分钟 h f ( 1 0 ) 漂洗1 0 秒 此步骤反复2 次 3 在n h 4 0 h ：h 2 0 2 ：h 2 0 = 1 ：1 5 ：4 溶液1 1 i 煮沸3 5 分钟 h f ( 1 0 ) 漂洗1 0 秒 4 在h c i ：h 2 0 2 ：h 2 0 = 3 ：1 ：1 的溶液中煮沸59 o t , f _ 述清沈步骤【 j ，衬底每经过一种化学试剂处理后，都耍用去离r 水冲2 2 残 余试剂。经过化学清洗过的样。协【f ：后装入进样拳，涡轮分r 泵将进样率内的 气压从大气压迅速抽至1 0 - o , 1 o r r 附近i _ i _ f 川离r 泉将进样窀内气j l j ：t l h 伞1 0 一i o f f 片：右。这样在保证乍长室的超高真，一不被破坏的条件卜，能够快速迸样硬进fj ：十r t 铺的预处耻。预处f i l 的力法是将样品j j h j ：4 , i _ 伞3 0 0 。c 行保持3 分钟，他农嵝刚的 再种杂质i 体脱附。处删完毕样，教力传样打送入乍k 。i 。 在生长室中，衬底被加热到1 0 0 0 并保持1 0 分钟，去掉表面的薄层s i 氧化物 1 4 5 ) ，获得清洁有序的s i 表面，这时真空度应好于1 0 一t o r t 。去掉氧化层后的s i ( 0 0 1 ) 表面，r h e e d 图样显示出对比度较好的( 2 x 1 ) 但是s h i r a k i 法也有一些缺点，因为高温处 理会影响衬底中的杂质分布，而且会降低衬底 表面的平整度【6 】。因此有必要降低衬底的处理 温度。一些研究表明，当硅表面的氧化层经稀 释的h f 溶液或缓冲h f 溶液腐蚀后，硅表面的 蓁黧蒸罴鬟霉辫i 龇2 ：篇篡管的4 5 05 5 0c 表面。这种钝化的表面在空气中是稳定的， i ：! ：= i ：i ：! “。 而h 原子的脱附温度只有 ”左右h 。 ” 这启发人们，经过化学清洗后的无氧化层保护的s i 衬底，可以采用h 钝化的方法 来防止表面的玷污和氧化，从而降低衬底的处理温度。 起初我们采用了s h i r a k i + h fd i p 方法( 简称h fd i p ) ”。衬底经过s h i r a k i 法清 洗后，用h f ( 1 0 ) 漂沈2 0 秒将表面的氧化层漂洗掉，经甩干机甩干后迅速装入进 样室并丌始抽真空。样品在进样室中完成预处理( 3 0 0 0 c 保温3 分钟) 后，送入生长 室做较高温度( 6 5 0 ”c ) 的处理。表面1 1 钝化的硅衬底片，因为表面没有了氧化层， 所以处理温度大幅度较低。但是这个方法清洗的样品，经过6 5 0 。c 热处理使h 原子 脱附后，使用r h e e o 观察样品表面发现，并不出现硅的线状2 x l 再构图样，而在生长 完b u f f e r 层以后，才出现了清晰的2 x l 线状条纹。 分析上述结果，我们认为原因可能是经h f ( 1 0 ) 浸泡的s i 片，在随后的进样 和预处理的过程中，会有极少量h f 溶液残留在衬底表面并继续腐蚀衬底表面， 这样势必造成腐蚀不均匀1 从而造成衬底表面不平整。而且仅仅把s i 衬底片浸 泡在h f ( 1 0 ) 溶液中进行钝化，效果并不好，这也是造成h 脱附后不能显示2 x 1 线状r h e e d 图样的一个原因。针对上述问题，我们把经过s h i r a k i 法清洗的衬底片 用h f ( 1 0 ) 浸泡3 0 秒进q ? u 钝化，紧接着用去离子水冲洗衬底片5 分钟加强钝化效 果【i “，经过这样处理的硅片，高温处理后出现了清晰f l 2 x l 线状r h e e d 图样，表明 2 3 外延p n 结及其特性 p n 绐是半导体器件物理中的一个耩本概念，是许多半导体器件，特别是结越 半导体器件如双极型品体管和结型场效应晶体管( j f e t ) 的基础。二极管就是 器件化了的p n 结，j 。泛应j 小f 整流，l ：关等领域。近些年来，对器件运行速度提 出了越米越高的要求，特别是需要高速度的丌关：极管。f 町现有的s i 二极管却 不能满足需求，因为经过几卜年的发展，其性能已经接近了理沦极限。因此，限 制j 二材料的物理特性，进。步发展s i ! ：极管是极端困难而f l 代价高昂。 s i g e 作为一种j 卜导体材料近些年对s i 旗器件构成了l j i 火的冲。叫”，比较叫 t 的领域包括双檄型b i c m o s 技术，c m o s 技术利光电r 领域。而这切的捧础 是s i g e s i 异质结良好的一陆能以及与半导体工艺良好的兼容，h ：。 有荚s i g e s ip n r i 比较新的成果是m a l l 幂i i g a oy o n g | 】4 i 报道的，他们n 勺乃 法是在n ，魁的s 辞0 底卜k p 型的s i g e 合金构成p n 绵，j 反阳漏i 乜流小j 二1 0 0 a c m 。 为了获得良好的p n 结整流特性和低的漏电流我们使用分子束局域外延方 法在p 型s i g e 合金上生长了n 型的s i 来构成异质结。具体的实验情况如下： 样 j h t l 巾_ 0 备：耿电阻率为1 0 q c m 的p s i ( 0 0 1 ) 衬底片，在其背部进行硼扩 敞，厚度约2um ，浓度为5 x 1 0 博c m 3 以便于形成欧姆接触。正面使用c v d 方法生 长大约3 5 0 0 a 的s i 0 2 ，并使用光刻和干法刻蚀形成5 0ur e x 5 0um 的窗口。 用于制作器件，进行电学性能测试的图形衬底片，我们使用经过改进的r c a 清洗方法f j “，作为图形片的专用清沈方法，具体步骤如下： 1 在h 2 s 0 4 ：h 2 0 2 = 3 ：1 的溶液中煮沸3 分钟，去离子水冲沈，超声清沈5 分 钟： 2 在n h 4 ：h 2 0 2 ：h 2 0 = 1 ：2 ：5 溶液中煮沸5 分钟，去离子水冲沈三分钟： 3 在c j ，：啦魄：也0 - 1 ：2 ：8 溶液中煮沸5 分钟，去离子水冲洗i 分钟； 重复步骤2 ，3 各一次 4 在l i n o ；溶液中煮沸2 3 分钟，去离子水冲洗三分钟，h f ( 1 0 ) 漂洗2 0 秒， 去离子水冲洗三分钟： 重复步骤4 三次 5 在h c ：h ：0 。：l - i ：0 = 3 ：1 ：l 溶液中煮沸三分钟，去离子水冲沈三分钟； 6 超声清洗三分钟，去离子水冲洗三分钟，重复一次： 7 在h f ( 1 0 ) 溶液中漂洗3 0 秒，去离子水漂洗5 分钟。 经过上述方法清洗的p s i ( 1 0 0 ) 图形衬底片，甩干后装入进样室，迅速抽 真空至1 0 。托，预处理( 3 0 0 0 c 保温3 分钟) 以后送入生长室进一步加热处理。h 离子脱附后观察r h e e d 图样，可见清晰明细的2 x i 条纹。衬底降温, 0 5 5 0 0 c ，q 长1 0 0 n m 厚的s i ( i g e o ：合金。外延s i g e 合会中掺入受一e 杂质硼，浓度为5 x 1 0 “ c l n ，然后稚：s i g e 合金一卜生长掺磷的s i ，厚度为3 0 0 n m ，杂质浓度是5 x 1 0 ”c m 。 , 1 - 长完牛衬底温度迅速降低到室温。 样品生长结束后，使用光刻和泓法腐蚀的 方法去掉窗ij 外的s i g e 合金，留f 窗门内的 s i g e 合余进行电学性能测试。测量p n 结的电学 特性，使用x j 4 8 1 0 、 i 导体管特性图示仪。测量 结果如图2 3 所示，p n 结显示出良好的整流曲 线，其击穿电压大约是1 7 v ，漏r 乜流很小，大约 是1 “a 。我们制作的p n 结结区耐积为5 0u r e x 5 0u1 t i ，漏电流密度火约是4 0 0 a c m 。 使肛j s h i r a k i 法清洗s 件j 底片，需要进行高温处理使清洗过程r | 产，| 州j 表面薄 氧化层脱附。对于将要进行器件制备的图形衬底片，这高温处理过程会导致村 底中杂质发生偏析 l l 扩散，造成杂质的重新分自，而影响器件的电学性能，i 司时i 铺 弛l i 还会使衬底片表丽的甲整度变兹。我们改进了清洗方法，在使用s h i r a k i 法或图 形衬底片号j i j 清沈力法清洗历，将衬底片放入h f ( 1 0 )溶液- l t 浸泡3 0 秒进行 h 钝化，然后迅速j i j 上离r 水冲沈以去掉残余的h f 溶液并加强钝化效果。我们使 j 此方法获得了氧钝化效粜良好的衬底农l f 。样l i f 经过r 】温处理即可获碍良蚶的 r h e e d2 x lf f j = 构 錾f 样。化f j 新，j 法“沈的矧，肜利底片l ，我们先后外延乍k 了 p 型s i g e 合金和n 型s i 以形成异质结。电学测量表明此异质结具有高击穿电压 ( 1 7 v ) 低漏电( 1 l , t a ) 的性能。同时也表明我们改进后的衬底清洗方法可以满 足器件制备的要求。 参考文献 1 b a j o y c e ，j h n e a v e ，p j d o b s o n ，a n dp k l a r s e n ，p h y s r e v b 2 9 ，8 1 4 ( 1 9 8 4 ) 2 1a i s h i z a k aa n dy ，s h i r a k i ，j ，e l e c t r o c h e m s o c 1 3 3 6 6 6 ( 1 9 8 6 ) 3 1r c h e n d e r s o n ，j e l e c t r o c h e m s o c 11 9 ( 1 9 7 2 ) 7 7 2 4 1c g e l a i n ，a c a s s u t o ，p l eg o f f , o x i d a t m e l a l s3 ( 1 9 7 1 ) 1 3 9 ， 5 d c s t r e i t ，f g a l l e n ，j a p p l p h y s 6 1 ( 1 9 8 7 ) 2 8 9 4 f 6 1p j g r u n t h a n e r ，f j g r u n t h a n e r ，r w f a t h a u e r ，t l l i n ，m h h e c h t ，l d b e l l ， w j k a i s e r ，f d s c h o w e n g e r d t ，j h m a z u r ，t h i ns o l i df i l m s18 3f 1 9 8 9 ) 1 9 7 7 t s a k u r a ia n dh d h a g s t r u m ，p h y s ，r e v b1 4 ( 1 9 7 6 ) 1 5 9 3 8 】h i r o y u k ih i r a y a m aa n dt o r ut a t s u m i ，a p p l p h s l e t t 5 4 ( 19 8 9 ) 15 6 1 f 9 1k u n i h i r os a k a m o t o ，h i r o f u m im a t s u h a t a ，j o u r n a lo fc r y s t a lg r o w t hl5 7 fl9 9 5 ) ：2 9 6 2 9 9 【1 0 龚大卫，博士论文1 9 9 4 年，复旦大学物理系 1 1lv p a l e r m o ，d j o n e s ，m a t e r i a l ss c i e n c ei f ls e m i c o n d u c t o rp r o c e s s i n g4 ( 2 0 0 1 ) 4 3 7 1 2 】m i c h i on i w a n o ，t a k a a k im i u m ，a p p l i e ds u r f a c es c i e n c e1 0 0 1 0 1 ( 1 9 9 6 ) 6 0 7 1 3 1d l h a l a m e ，s j k o e s t e r ，g f r e e m a n ，a p p l i e ds u r f a c e s c i e n c e2 2 4 ( 2 0 0 4 ) 9 1 7 【1 4 】m a l i ，g a 0y o n g ，j u n c t i o nt e c h n o l o g y , 2 0 0 4 1 w j t 0 4 t h ef o u a h i n t e m a t i o n a lw o r k s h o po n 15 一l6m a r c h2 0 0 4 p a g e s ：2 6 3 2 6 6 l5 1w k e m ，d a p u o t i n e n ，r c ar e v 3 l ( 1 9 7 0 ) 1 8 7 第三章高应变驰豫低位错密度硅锗合金的局域生长 3 i 用于生长应变s i 的s i g e 合金缓冲层研究概况以及局域外延简介 为了提高s i 器件的频率响应，目前的手段是尽可能地减小器件尺寸，互连 线的长度和隔离介质的介电常数等改变外部因素的办法。但是沿着这一条路线进 步提高s i 器件的响应速度，将面临着许多技术上的难题。因此依靠提高器件 中载流子迁移率来提高器件响应速度的方法正越来越受到重视。k e r nr i m i i 刮等 人的研究表明，在无位错应力驰豫s i g e 合金上外延生长的s i 薄膜，由于受到双 轴压应力的作用，使载流子迁移率得到很大的提高。如处于张应变的s i 品格常 数增大1 ，则电子迁移率就由体s i 的1 3 5 0 c m 2 v s 提高到3 5 0 0 c m 2 v s o l 。而且 载流子